動車風機電機機座感應加熱工藝研究

王曉群，郭衛東

(1. 中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000；2. 常州市君泰機械科技有限公司，江蘇 常州 213000)

動車風機電機(以下簡稱風機電機)用于我公司軌道牽引變壓器的散熱器驅動單元，對產品的質量及穩定性要求很高。目前，該類風機電機的機座以鑄鋁材質為主，定子與機座的裝配采用烘爐加熱工藝：將機座放入熱風循環烘箱，由常溫加熱至工藝溫度并保溫一定的時間，使鋁機座受熱膨脹，再將受熱的機座套入定子，待機座冷卻至室溫后即完成裝配。采用傳統的烘爐加熱工藝，加熱效率低，加熱時間長，能耗高，對現場作業環境有一定的影響，且存在一定的作業安全隱患。

為提升風機電機定子與機座的裝配工藝、產品質量及作業效率，降低能源消耗、作業等待浪費等生產成本，改善作業環境，減少烘爐加熱工藝作業勞動強度及安全隱患，針對風機電機機座加熱工藝開展了以下研究：①機座加熱工藝介紹；②機座理論感應加熱溫度及膨脹量計算；③感應加熱工藝驗證；④機座感應加熱前后變形量分析；⑤感應加熱工藝的優勢。

1 機座加熱工藝介紹

1.1 烘爐加熱工藝

烘爐加熱工藝采用熱風循環烘箱進行加熱，烘箱采用風機循環送風方式，風源由循環送風電機帶動風輪經由加熱器，經由風道將熱風送至烘箱內部，再將使用后的空氣吸入風道成為風源再度循環，加熱使用，使被加熱的工件如機座受熱均勻[4]。該工藝過程通過將4～6臺風機電機機座同時放入烘箱，將烘箱由常溫加熱至指定的工藝溫度參數(如140 ℃)，到達設定溫度后繼續保溫1.5 h，機座出烘箱后迅速套入定子，待機座冷卻后進行后續作業，烘爐加熱設備見圖1。

1.2 感應加熱工藝

感應加熱工藝采用感應加熱機進行加熱，該設備使用工頻電源，具有加熱效率高，對工件尺寸的通用性強等優點，設備結構主要包括加熱機床、加熱主機、電氣操作控制臺、工件通用定位工裝、加熱桿升降氣缸及工件彈性測溫等裝置。該工藝過程通過將風機電機機座放入加熱工裝上，待機座達到相應的工藝溫度后，迅速將機座套入定子，完成套裝作業。感應加熱設備見圖2。

圖1 烘爐加熱設備

圖2 感應加熱設備

2 機座理論感應加熱溫度及膨脹量計算

選取了某典型風機電機JDX進行感應加熱工藝研究，其機座采用鑄鋁合金制造。

2.1 感應加熱驗證溫度確定

根據感應加熱溫度計算公式：

(1)

式中：T為機座需要加熱的溫度值，℃；Δ為機座與定子鐵芯配合面的最大過盈量，查閱技術圖紙，該產品Δ=|機座內徑最小值-定子外徑最大值|=|210.012-210.126|=0.111 mm；K為加大系數，當軸頸Φ為150～220 mm時，K為0.2～0.3，該機座軸頸(內徑)尺寸為210 mm，取K=0.3；α為線膨脹系數，α(鋁)=0.000 023 8 ℃-1；D為機座與定子鐵芯配合面的基本直徑尺寸，mm；t為室溫，考慮廠房夏天極端氣溫，此處t取40 ℃。

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考慮生產實際情況及公司以往經驗(該型號產品烘爐加熱溫度為140 ℃)，該型號產品感應加熱驗證溫度T初始理論值設為130 ℃，同時為了對加熱效果進行對比，增加140、150 ℃下的對比驗證。

2.2 機座膨脹量計算

為便于對感應加熱的實際膨脹量進行驗證，對不同感應加熱溫度下機座的膨脹量進行了理論計算，其中 130、140、150 ℃時，根據機座內徑尺寸膨脹量計算公式(2)：

△LT2=α×(T2-T1)×LT1

(2)

各驗證溫度下的機座膨脹量分別為

△L130℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(130-25)×210 =0.525mm

△L140℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(140-25)×210 =0.575mm

△L150℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(150-25)×210 =0.625mm

按照產品設計圖紙，T1選取25 ℃，該溫度下機座的基本內徑尺寸為210 mm，鋁的線膨脹系數α=0.000 023 8 ℃-1。

3 感應加熱工藝驗證

選取1臺JDX型風機電機機座及定子，采用游標卡尺分別測量機座兩個不同位置的內徑尺寸，并做好位置標記，將定子預先放置在支撐工裝上等待套裝。

將機座放置在感應加熱機的定位工裝上，設置加熱溫度為130 ℃，啟動設備開始加熱，采用接觸式測溫槍對機座的表面溫度進行測量，當機座表面溫度達到130 ℃后，設備自動停止加熱，迅速測量標記位置的內徑值及實際膨脹量，并將機座迅速套入定子。經驗證，該溫度下機座可以套入定子，但套入比較困難，環境溫度較低時機座快速冷卻，出現異常情況無法及時將機座退出。感應加熱過程及機座套定子成品分別見圖3、圖4。

圖3 感應加熱過程

圖4 機座套定子成品

待機座冷卻到室溫后，繼續完成140 ℃及150 ℃下的感應加熱驗證，最終結果見表1。

通過對JDX型機座分別在130、140、150 ℃的溫度下進行感應加熱工藝驗證，綜合考慮實際操作環境、機座的自然冷卻速度及設備能耗等因素，將140 ℃定為該型號風機電機機座的感應加熱工藝溫度。

4 機座感應加熱前后變形量分析

為驗證感應加熱工藝對風機電機機座尺寸變形量的影響，采用三坐標儀掃描了JDX型風機電機機座在恒溫(20 ℃)環境下的機座內徑尺寸，同時，將機座進行感應加熱后，再次測量了自然冷卻至20 ℃后對應機座的內徑尺寸，以衡量感應加熱前后機座尺寸的穩定性，防止因感應加熱效率過快造成機座不可逆的形變。測試結果見表2。

表1 JDX型動車風機電機機座感應加熱試驗記錄表

表2 感應加熱對JDX型鋁機座變形量的影響 mm

通過對機座感應加熱前后內徑尺寸進行三坐標檢測，感應加熱對機座的尺寸及圓度影響很小，且機座尺寸均在設計的尺寸范圍內，機座不會產生不可逆的形變，冷卻后機座尺寸的穩定性可以保證產品性能。

5 感應加熱工藝優勢

與傳統的烘爐加熱工藝相比，感應加熱工藝具有以下優點：

(1)感應加熱工藝效率高，鋁機座從常溫加熱至140 ℃僅需3～4 min，與烘爐加熱(4～6臺機座同時加熱)約需2 h(含保溫時間)相比，綜合加熱效率提升了5～10倍以上。

(2)生產效率提升的同時，能耗也得到大大降低，感應加熱機功率為45 kVA，按照加熱3 min計算，單臺能耗為2.25 kW·h，而烘爐(功率63 kW)加熱2 h，單臺能耗約21 kW·h，單臺可節約電能18.75 kW·h，能耗降低了89.3%。

(3)采用感應加熱，設備占地面積小，適用于流水線批量生產作業，同時，感應加熱時間短，只對工件加熱，不會造成嚴重的環境污染，更有利于現場操作人員的身體健康。

6 結 論

本文通過采用感應加熱技術對動車風機電機鋁機座熱套定子工藝進行了研究，驗證了不同的感應加熱溫度下機座套裝定子的裝配情況及感應加熱工藝對機座變形量的影響。感應加熱技術極大的提升了加熱效率，能有效提高產品質量，降低生產成本及操作者的勞動強度，減少烘爐對環境的影響，更適應電機組裝流水線操作及電機的批量化生產，可進一步推廣應用于其他產品的過盈裝配。